Sciencemag.cz
Doporučujeme
Čajové lístky se v hrníčku s rovným dnem usadí po zamíchání vždy ve středu. Tímto „jevem čajového šálku“ se zabýval také Albert Einstein a publikoval o něm v roce 1926 článek. Na stejném principu pak vysvětluje tvorbu meandrů na řece. Dnešní lékařská technika jev využívá při výrobě plasmy z plné krve.
V roce 1926 publikoval Albert Einstein v časopise Naturwissenschaften vydavatelství Springer článek Die Ursache der Mäanderbildung der Flußläufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. V něm rozebírá příčinu vzniku meandrů na řece a odkazuje k její souvislosti s tím, proč se čajové lístky po zamíchání tekutiny v šálku s rovným dnem usadí vždy ve středu nádobky, a ne na jejím okraji.
V úvodu článku se Einstein svěřuje s pochybností, zda se odborník dozví vůbec něco nového. „Nenalezl jsem ale nikoho, kdo by úplně bral v úvahu všechny potřebné souvislosti, a tak považuji za správné tyto souvislosti kvalitativně v následujícím krátce představit,“ napsal Einstein.
Zamícháním čaje udělíme kapalině horizontální rotaci. Díky této primární cirkulaci dostane povrch čaje tvar menisku, kdy je na okraji nádobky hladina výše než v jejím středu. To je způsobeno výslednicí dvou sil: odstředivé, působící směrem ven, a tlakové síly vodního sloupce, působící dolů.
Sekundární proudění po udělení horizontální rotace jako výsledek odstředivé síly, tíhové síly a vnitřního tření v kapalině
Ve vrstvě u vnitřního povrchu a u dna šálku však molekuly kapaliny brzdí tření. Tím se zmenšuje odstředivá síla, přičemž tlaková síla se nemění. Obnova rovnováhy sil si proto vynucuje změnu proudění kapaliny, v tomto případě čaje, a místo primární rotace se ustaví sekundární cirkulace (viz obrázek). Podél vnitřního povrchu šálku čajové lístky klesají dolů, na dně putují do jeho středu a odtud opět vzhůru k povrchu a k okraji. Takto unáší kapalina čajové lístky, dokud se pohyb nezastaví. Hladina je v tu chvíli opět vodorovná, a protože je hustota louhovaných lístků o něco vyšší než hustota vody, obvykle s ustávajícím pohybem necirkulují dále vzhůru, ale shromažďují se ve středu šálku.
A v čem spočívá souvislost čajových lístků s říčními meandry? V zatáčce řečiště působí odstředivá síla směřující k břehu řeky. Na dně je však tato síla menší, opět díky tření mezi vodou a dnem. Podobně jako v předchozím případě se ustaví sekundární proudění, při kterém se voda pohybuje po dně směrem k vnitřnímu břehu, podél něj vzhůru, při hladině k opačnému břehu a podél něj opět ke dnu. Díky rozdílům v rychlosti proudění je eroze vnějšího břehu intenzivnější než břehu vnitřního. Jak by tomu bylo v případě, kdyby řeka tekla rovně po spádu? Pak na tekoucí vodu působí přinejmenším Coriolisova síla. Ta má stejný směr jako odstředivá síla řeky v zatáčce, což v podstatě dává výchozí bod k tvorbě meandrů.
Intenzivnější vymílání západních břehů řek tekoucích na severní polokouli od severu k jihu a východních břehů řek tekoucích z jihu na sever popsal už v roce 1860 Karl Ernst von Baer (1792 – 1876) v Bulletin de l‘ Académie Impériale des Sciences de St.-Pétersbourg pod titulem Über ein allgemeines Gesetz in der Gestaltung von Flußbetten. Jev vysvětlil právě otáčením Země. V Einsteinově době se označovalo popsané působení Coriolisovy síly na říční toky právě jako Baerův zákon. Odtud se tedy výraz objevil v titulu Einsteinova článku.
Pro popsané ustavení čajových lístků v centru nádobky se vžil název „jev čajového šálku“. Přesto stejný princip pozorujeme nejen na tocích řek, ale také v mnoha dalších případech. V atmosféře například v oblasti nízkého tlaku stoupá vzduch vzhůru, zatímco v oblasti vysokého tlaku klesá. Důvodem je tření vzduchu na povrchu země, které vytváří sekundární cirkulaci.
Postupné zřetězení rotace tekutiny a jejího tření o povrch za vzniku sekundární cirkulace samozřejmě připoutalo i pozornost techniků. Jev čajového šálku se tak v praxi využívá mimo jiné k odstraňování nečistot z kapalin. Nežádoucí příměsi se soustřeďují po zamíchání ve středu, odkud je snadné je odebrat nebo vypustit. Podobně se získává krevní plasma separací červených a bílých krvinek od ostatních součástí plné krve.
Jen s obtížemi bychom našli lepší příklad fyzikálně podstatného jevu, který pozorovali mimoděk snad miliony lidí, aniž by je napadlo jej nějak podrobněji prozkoumat. Možná i v současnosti čeká nějaký další skrytě zjevný princip na svého objevitele. Třeba ne v šálku čaje, třeba v něčem podobně zdánlivě všedním…
Zdroje:
Welt der Physik: Warum sammeln sich Teeblätter in der Mitte? Welt der Physik: Startseite [online]. Dostupné z: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/warum-sammeln-sich-teeblaetter-in-der-mitte/
A. Einstein: Die Ursache der Mäanderbildung der Flußläufe und des sogenannten Baerschen Gesetzes. Naturwissenschaften 14 (1926) 223–224
autoři: Ivana Stulíková, Luboš Veverka
Převzato z Matfyz.cz.
Pozvánka: 20. konference českých a slovenských fyziků – program pro veřejnost
8. září 2020
Kulatý stůl „Jak učíme fyziku – postřehy a nápady“.
přednášky: Tajomstvá fujary a píšťaliek
Vodík, palivo budoucnosti – využití vodíku jako zdroje čisté energie
https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2006/cislo-1/proc-se-zamichane-cajove-listky-drzi-uprostred-dna.html
„Nabízím jednoduché vysvětlení, které je nezávislé na slapových, elektrických, magnetických a jiných silách, povrchovém napětí apod. Nejprostší vysvětlení bývají někdy nejpřekvapivější: Kdyby rotovala i sklenice, lístky se rozloží po jejím obvodu vlivem odstředivé síly. To je totéž, jako by v nerotujícím čaji klesaly ke dnu. Když nerotuje sklenice, ale rotuje čaj, u dna je jeho pohyb pomalejší (je mírněn třením o dno) než u hladiny. V důsledku toho je u hladiny větší odstředivá síla, a navíc čaj koná pohyb na hladině směrem k obvodu, u dna směrem do středu a v ose sklenice opět stoupá k hladině, a u ní opět putuje k obvodu. Lístky jsou těžší, takže nemohou u osy vystoupat a shromáždí se u středu dna. Že to tak je, se můžete přesvědčit, když zamícháte větší rychlostí, tu a tam pak nejlehčí lístky vylétnou k hladině, na ní doputují k obvodu sklenice, kde klesnou, a vrátí se zas do středu. Nebo můžete do čaje nasypat něco lehčího, co se bude pohybovat společně s kapalinou, a celý pohyb uvidíte. Napadá mě, že v pestřejších čajových směsích jsou i lístky, které vždycky plavou. Ty by se podle této teorie měly shromažďovat na hladině, a to u obvodu sklenice.“